Transmisi energi melalui kabel

Sebuah rangkaian listrik terdiri dari setidaknya tiga elemen: generator, yang merupakan sumber energi listrik, penerima energi dan kabel yang menghubungkan generator dan penerima.

Pembangkit listrik seringkali terletak jauh dari tempat konsumsi listrik. Saluran listrik overhead membentang puluhan bahkan ratusan kilometer antara pembangkit listrik dan tempat konsumsi energi. Konduktor saluran listrik dipasang pada tiang dengan isolator yang terbuat dari dielektrik, paling sering porselen.

Dengan bantuan saluran udara yang membentuk jaringan listrik, listrik disuplai ke bangunan perumahan dan industri tempat konsumen energi berada. Di dalam gedung, kabel listrik terbuat dari kabel dan kabel tembaga berinsulasi dan disebut kabel dalam ruangan.

Ketika listrik ditransmisikan melalui kabel, sejumlah fenomena yang tidak diinginkan diamati terkait dengan hambatan kabel terhadap arus listrik. Fenomena tersebut antara lain kehilangan tegangan, rugi-rugi daya saluran, kabel pemanas.

Kehilangan tegangan saluran

Ketika arus mengalir, penurunan tegangan dibuat melintasi garis resistansi. Resistansi garis Rl dapat dihitung jika panjang garis l (dalam meter), penampang konduktor S (dalam milimeter persegi) dan resistansi bahan kawat ρ diketahui:

Rl = ρ (2l / S)

(rumusnya mengandung angka 2 karena kedua kabel harus diperhitungkan).

Jika arus l mengalir melalui saluran, maka penurunan tegangan pada saluran ΔUl menurut hukum Ohm sama dengan: ΔUl = IRl.

Karena sebagian tegangan pada saluran hilang, maka pada akhir saluran (di penerima) akan selalu lebih kecil dari pada awal saluran (bukan di terminal generator). Penurunan tegangan penerima karena penurunan tegangan saluran dapat mencegah penerima beroperasi secara normal.

Misalkan, misalnya, lampu pijar biasanya menyala pada 220 V dan dihubungkan ke generator yang menyediakan 220 V. Misalkan garis memiliki panjang l = 92 m, penampang kawat S = 4 mm2 dan resistansi ρ = ​​0 , 0175.

Resistansi garis: Rl = ρ (2l / S) = 0,0175 (2 x 92) / 4 = 0,8 ohm.

Jika arus melewati lampu Az = 10 A, maka penurunan tegangan pada saluran akan menjadi: ΔUl = IRl = 10 x 0,8 = 8 V... Oleh karena itu, tegangan pada lampu akan menjadi 2,4 V lebih kecil dari generator tegangan : Ulamps = 220 — 8 = 212 V. Lampu akan sedikit kurang menyala. Perubahan arus yang mengalir melalui penerima menyebabkan perubahan jatuh tegangan melintasi saluran, menghasilkan perubahan tegangan melintasi penerima.

Biarkan salah satu lampu mati dalam contoh ini dan arus di saluran akan berkurang menjadi 5 A. Dalam hal ini, penurunan tegangan di saluran akan berkurang: ΔUl = IRl = 5 x 0,8 = 4 V.

Pada lampu yang dinyalakan, voltase akan naik, yang akan menyebabkan peningkatan kecerahan yang nyata. Contoh menunjukkan bahwa menghidupkan atau mematikan satu penerima menyebabkan perubahan tegangan penerima lain karena perubahan penurunan tegangan di saluran. Fenomena ini menjelaskan fluktuasi tegangan yang sering diamati pada jaringan listrik.

Pengaruh resistansi saluran pada nilai tegangan jaringan ditandai dengan hilangnya tegangan relatif. Rasio penurunan tegangan pada saluran terhadap tegangan normal, dinyatakan sebagai persentase kehilangan tegangan relatif (dilambangkan dengan ΔU%), disebut:

ΔU% = (ΔUl /U)x100%

Menurut standar yang ada, konduktor saluran harus dirancang sedemikian rupa sehingga kehilangan tegangan tidak melebihi 5%, dan di bawah beban penerangan tidak melebihi 2 — 3%.

Kehilangan energi

Sebagian energi listrik yang dihasilkan oleh generator berubah menjadi panas dan terbuang dalam kapur, menyebabkan pemanasan secara konduksi. Akibatnya energi yang diterima oleh penerima selalu lebih kecil dari energi yang diberikan oleh generator. Demikian pula, daya yang dikonsumsi di penerima selalu lebih kecil dari daya yang dikembangkan oleh generator.

Rugi daya di saluran dapat dihitung dengan mengetahui kekuatan dan hambatan arus saluran: Plosses = Az2Rl

Untuk mengkarakterisasi efisiensi transmisi daya, definisikan efisiensi saluran, yang dipahami sebagai rasio daya yang diterima oleh penerima terhadap daya yang dihasilkan oleh generator.

Karena daya yang dikembangkan oleh generator lebih besar daripada daya penerima dengan jumlah kehilangan daya di saluran, efisiensi (dilambangkan dengan huruf Yunani η — ini) dihitung sebagai: η = Puseful / (Puseful + Plosses)

di mana, Ppolzn adalah daya yang dikonsumsi di penerima, Ploss adalah daya yang hilang di saluran.

Dari contoh yang telah dibahas sebelumnya dengan kuat arus Az = 10 Rugi daya pada saluran (Rl = 0,8 ohm):

Kerugian = Az2Rl = 102NS0, 8 = 80 W.

Daya berguna P berguna = Ulamps x I = 212x 10 = 2120 W.

Efisiensi η = 2120 / (2120 + 80) = 0,96 (atau 96%), yaitu penerima hanya menerima 96% daya yang dihasilkan oleh generator.

Pemanasan dengan kawat

Pemanasan kabel dan kabel karena panas yang dihasilkan oleh arus listrik merupakan fenomena yang berbahaya. Dengan pengoperasian yang lama pada suhu tinggi, isolasi kabel dan kabel menua, menjadi rapuh dan runtuh. Penghancuran insulasi tidak dapat diterima, karena hal ini menciptakan kemungkinan kontak bagian kabel yang telanjang satu sama lain dan yang disebut korsleting.

Menyentuh kabel yang terbuka dapat menyebabkan sengatan listrik. Akhirnya, pemanasan kawat yang berlebihan dapat menyulut isolasi dan menyebabkan kebakaran.

Untuk memastikan bahwa pemanasan tidak melebihi nilai yang diizinkan, Anda harus memilih penampang kabel yang benar. Semakin besar arus, semakin besar penampang yang harus dimiliki kawat, karena dengan meningkatnya penampang, resistansi berkurang dan, karenanya, jumlah panas yang dihasilkan berkurang.

Pemilihan penampang kabel pemanas dilakukan sesuai dengan tabel yang menunjukkan berapa banyak arus yang dapat melewati kabel tanpa menyebabkan panas berlebih yang tidak dapat diterima.va. Kadang-kadang mereka menunjukkan kerapatan arus yang diizinkan, yaitu jumlah arus per milimeter persegi dari penampang kawat.

Kepadatan arus Ј sama dengan kekuatan arus (dalam ampere) dibagi dengan penampang konduktor (dalam milimeter persegi): Ј = I / S а / mm2

Mengetahui kerapatan arus yang diizinkan Јsebagai tambahan, Anda dapat menemukan bagian konduktor yang diperlukan: S = I /Јadop

Untuk pengkabelan internal, kerapatan arus yang diizinkan adalah rata-rata 6A/mm2.

Sebuah contoh. Penting untuk menentukan penampang kabel, jika diketahui bahwa arus yang melewatinya harus sama dengan I = 15A, dan kerapatan arus yang diizinkan Јadop — 6Аmm2.

Keputusan. Penampang kawat yang dibutuhkan S = I /Јadop = 15/6 = 2,5 mm2